基于動節流流量計變送器的研究與設計

丁建梅，張祥兵，王 海

(1．東北林業大學機電工程學院，哈爾濱150040;2．上海飛機制造有限公司，上海200436)

流量信號數據采集系統主要分為信號傳送和信號接收處理兩部分，其中信號傳送部分包括變送器，所設計的變送器位于每戶的供熱管路上，而信號接收處理部分則位于樓道母表內。整體系統如圖1所示。

目前，應變式傳感器已成為應用最為廣泛和最為成熟的傳感器［1］。在流量計的設計過程中，采用了電阻應變式傳感器。而沒采用壓電式傳感器的原因是因為壓電材料要在交變力的作用下才能給測量電路一定大小的電流，這種工作機理適應于測量動態振蕩力、碰撞和高速壓縮/張力［2］;而流量計的流質流動平穩，不能對傳感器施加交變力。

圖1 流量計數據采集方案Fig．1 Flow meter data collection solution

電阻應變式傳感器轉換的基本原理如圖2所示。

圖2 電阻應變式傳感器工作原理Fig．2 The working principle of resistor strain sensor

1 電阻應變式傳感器的設計

電阻應變式傳感器的彈性敏感元件是直接感受被測量的，并以確切關系輸出物理量的器件，在文獻［3］中已經給出了流量計力檢測敏感元件的3種不同方案。

1．1 轉換元件

電阻應變式傳感器的轉換元件應變計是通過感受彈性體表面應變的變化使自身電阻發生變化，因此應變計的“輸出”其實是電阻。將應變計按電橋結構連接，將電阻的變化轉變為電壓的變化時，應變計在電阻式應變傳感器中起承上啟下的作用。

應變計是基于應變效應制作的轉換元件。應變效應是指應變計的電阻值隨著其發生變形而產生改變的現象。

應變計一般由塑料薄膜(基盤)、金屬電阻片(敏感柵)和迭層薄膜(覆蓋層)組成，如圖3所示。

圖3 應變計結構Fig．3 The structure of strain gauge

經過對比不同型號應變計之間的差異，最終擇優選擇了HBM公司生產的K-LY41-3/1000型應變片，該應變片的參數見表1。

應變計的粘貼對其工作性能有著十分重要的影響，在選用粘合劑時應考慮到粘合劑應具有:較大的粘接強度、較好的溫度和濕度穩定性、良好的耐疲勞性能、較小的蠕變和滯后性以及無毒無害等特點。經過對比各種粘接劑，最后選擇改性丙烯酸酯作為應變計的粘接劑。

表1 K-LY41-3/1000應變片參數Tab．1 K-LY41-3/1000 strain gauge parameters

1．2 基本轉換電路

惠斯通電橋由4個電阻 R1、R2、R3和 R4組成。a和b為輸入端，兩點之間的電壓為E;c和d為輸出端，根據電工學原理，c和d兩點之間的電壓U可由公式(1)算得:(如圖4所示)

圖4 惠斯通電橋Fig．4 The wheatstone bridge

從公式(1)可以看出，若要使輸出電壓U為零，則4個電阻必須滿足一定的數學關系，即:

一般地，惠斯通電橋做成等臂形式，即R1=R3=R2=R4=R。由公式(1)可以看出，若4個電阻之一發生變化，平衡狀態下的電橋就變得不平衡了，輸出電壓U不再為零。設各個電阻均有變化，則電橋輸出為:

(1)惠斯通電橋輸出。當電阻變化較小時，即ΔRi?R，則公式(3)可以轉變為:

對于應變計，存在

式中:K為應變片的靈敏系數;εi為各個應變計的應變。

結合公式(4)和公式(5)，則有:

惠斯通電橋根據參與工作的橋臂數分為半橋和全橋兩大類，其中半橋又可分為半橋單臂和半橋雙臂。

半橋單臂，即R2為應變片，其他為固定電阻，則公式(6)可以寫為:

半橋雙臂，即R1、R2為應變片，其他為固定電阻，此時應取ε1與ε2反向，則公式(6)可以寫為:

全橋，即各個電阻均為應變片，且遵循變化符號相反的電阻聯入相鄰臂中、電阻變化相同的聯入相對臂中的規律，則公式(6)可以寫為:

在ΔRi?R的條件下，從公式(7)～公式(9)可以看出，惠斯通電橋的輸出與應變計所受的應變成正比。不同接法下，電橋的靈敏度不一樣，半橋雙臂是半橋單臂的兩倍，全橋是半橋雙臂的兩倍。另外激勵電壓也對惠斯通電橋的靈敏度產生一定的影響。在搭建基本轉換電路時，電橋靈敏度是一個重要的參數，一般地，盡量選擇較高的靈敏度傳感器。

(2)惠斯通電橋的非線性誤差。在小應變下應變片的線性度較好，但隨著應變的增加，應變片阻值的變化與電橋的輸出并不成完全的線性關系。為了解決存在的非線性問題，需要對傳感器進行非線性補償。非線性補償方法分為兩類:硬件補償和軟件補償。由于惠斯通電橋的信號極其微弱，導致后接的放大電路放大倍數極大，同時也就導致了非線性誤差被放大。所以在電橋部分就要考慮做硬件非線性補償，最后在數據處理階段也進行非線性補償，這樣就能獲得更加真實、準確的流量數據。

在公式(3)的推導過程中，假設ΔRi?R，從而舍棄了高階增量。若考慮高階增量，在半橋單臂情況下，惠斯通電橋的實際輸出為:

將公式(5)代入上式有:

則非線性誤差為:

在半橋雙臂情況下，由于ΔR1=-ΔR2，則實際輸出為:

則非線性誤差為:

同理，在全橋情況下，非線性誤差為:

從公式(13)～公式(15)可以看出，半橋單臂存在非線性誤差，而半橋雙臂和全橋則不存在非線性誤差。

另外，由于溫度的變化會使應變片的阻值發生變化，即溫度的變化會帶來一定的虛假應力［4-5］，所以需要對惠斯通電橋進行溫度補償。對于半橋單臂電路通常的做法是:在測量時選擇一塊與彈性元件相同材料的料塊，作為溫度補償塊，將工作應變計相同型號的應變計粘貼在表面，作為一臂接在惠斯通電橋中;對于半橋雙臂或者全橋電路，各個應變計之間的溫度引起的電阻變化相同，對電橋的實際輸出沒有影響，所以可以起到溫度補償的作用。

綜上所述，半橋雙臂和全橋電路不僅可以抑制電路的非線性誤差，還可以起到溫度補償的作用。在新型流量計的制作過程中，考慮到彈性元件的外部形狀和應變片的尺寸，選擇了半橋雙臂電路作為基本轉換電路。

(3)惠斯通電橋的供電電路。從公式(13)可以看出，半橋雙臂的輸出電壓U不僅受應變計的靈敏系數K、彈性元件產生的變形ε影響，還受供電電壓E影響。供電電壓E的大小對輸出電壓U有直接影響，供電電壓E越大，電阻應變式傳感器的靈敏度也就越大，但高電壓產生的熱量會影響惠斯通電橋的穩定性;此外供電電壓E的品質也直接影響了輸出電壓U的品質，例如供電電壓的波動和噪聲將會直接引起輸出電壓的波動和噪聲。

在選擇電橋供電電壓時，考慮到高電壓能獲得較高的靈敏度、信噪比，但同時不至于影響電橋的穩定性，將供電電壓確定在1．5～3V。考慮到V/I轉換電路使用的XTR106轉換芯片能夠提供精確的基準電壓2．5V和5V，精度能到達±0．05%，因此不需要另外設計惠斯通電橋的供電電路，而直接使用XTR106芯片的2．5V基準電壓，從而大大簡化變送器的整體電路，提高系統的可靠性。

2 變送器電路

2．1 調零電路的設計

在惠斯通電橋輸出的推導過程中，假設R1=R3=R2=R4=R，得出初始狀態下電橋輸出為零。由于應變計及配對電阻的制造、應變計的粘貼等存在一定的差異，因此各個阻值不可能完全相同。實際阻值與理論值存在差距導致惠斯通電橋在零輸入的狀態下輸出不為零，所以需要對惠斯通電橋進行調零處理。一般的惠斯通調零電路如圖5所示。

圖5 惠斯通電橋調零電路Fig．5 Zero wheatstone bridge circuit

電阻R6的取值按下面公式計算:

式中:RB為電橋阻抗，Ω;Vtrim為期望微調電壓范圍，V。

由于應變片R1和R2電阻的阻值為1 000Ω，所以橋臂電阻R3和R4選擇的阻值為1 000Ω，精度為 ±0．1%;期望微調電壓范圍 Vtrim取0．01V，由公式(16)可以得到:

R5的阻值小于等于R6的阻值，所以在這里選擇R5為100kΩ的多圈可調電位器。

2．2 信號放大電路的設計

惠斯通電橋的輸出電壓U為毫伏級，為了能夠提高信號的抗干擾能力，在前級對其進行放大。本研究中信號放大電路由高精度運算放大器電路組成，放大電路芯片采用OPA2277。該芯片是一款高精度運算放大器［6］，其內部包含兩塊運算放大器，其特點有:超低的輸入失調電壓(10μV)、超低的溫度漂移(±0．1μV/℃)、極大的開環放大倍數(134dB)、高共模抑制比(140dB)、低偏置電流(最大1nA)、寬工作電壓(±2～±18V)、低靜態電流(1．6mA)。

由于集成在一塊硅片上，所以兩塊運算放大器的性能差別很小。對于OPA2277的供電問題，可以采用XTR106的5．1V輸出電壓。在這一級使用兩個10kΩ和一個100Ω的高精密電阻組成前級放大電路，放大增益為200倍，信號放大電路如圖6所示。

圖6 信號放大電路Fig．6 Signal amplifying circuit

2．3 V/I轉換電路的設計

惠斯通電橋的電壓輸出信號經放大后不能進行遠距離傳遞，必須要將電壓信號轉變為電流信號，在這里采用V/I轉換芯片，選用TI公司生產的XTR106。該款芯片是TI公司設計的一種低成本、單片4～20mA兩線制電流變送器，該芯片的主要特點有［7］:兩種高精度基準電壓(2．5V和5V，精度為±0．05%)、一種穩壓輸出(5．1V)、低溫度漂移(0．25μV/℃)、寬工作電壓(7．5 ～ 36V)、低噪聲等。該芯片的電流從IOUT腳輸出，輸出電流公式為:

式中:RG為滿量程調節電阻，Ω;VIN為差分輸入電壓，V。

由于XTR106欠量程輸出電流最大為2．5mA，且OPA2277的工作電流為1．6mA，那么通過電橋的電流最大為0．9mA。則電橋電路的總電阻為:

由于電橋的總阻抗約為1 000Ω，則電橋電路需要外接1 777Ω的電阻，選擇1 800Ω的高精度電阻，外接在惠斯通電橋的電流流出端，這樣還可以使得輸出的共模電壓范圍保持在1．1～3．5V，從而滿足了XTR106對信號共模輸入電壓的要求。計算的惠斯通電橋的激勵電壓為 0．886 5V。在1 500kg/h的流量下，應變計變化約為100μξ，根據公式(13)可以估算出惠斯通電橋的最大輸出電壓約為88μV，經信號放大電路200倍，輸入到XTR106的最大差分電壓為 17．6mV。令 IOUT=20mA，根據公式(17)可以算得滿量程調節電阻RG的大小:

那么調節電阻RG選用50Ω的可調電位器，V/I電路如圖7所示。最后將變送器制成實物，如圖8所示。

圖7 V/I轉換電路Fig．7 V/I circuit

圖8 變送器實物Fig．8 Real transmitter

3 流量計上變送器的實驗研究與結果分析

為了驗證流量計上變送器的性能，采用實驗的方法對其進行測試。由于流量的變化較為緩慢，所以主要對流量計上變送器的靜態性能進行測試。靜態測試的性能主要包括滯差、重復性、線性度、靈敏度和穩定性［8］。分別對安裝了不同檢測模塊的流量計進行靜態性能測試［3］，選擇一種最優的一種方案應用于流量計，并對流量計的壓力損失特性進行測試。最后將安裝了該種檢測模塊的流量計信號經變送器轉換，利用標定平臺對變送器的轉換后的信號進行標定［8］。

3．1 流量標定的器材

變送器感應流量計應變計阻值的變化，并將該變化轉換為4～20 mA標準電流進行信號的傳送。為了測得變送器輸出的信號，使用了一個250Ω的高精度電阻將電流信號轉變為電壓信號。當有一定水流流過流量計時，通過高精度電阻的電流就發生改變，這時使用63C7V電壓表測量高精度電阻兩端的電壓值就可以得到電流的大小。最后，通過記錄浮子流量計測得的流量對電阻兩端電壓值標定，即完成了對流量計的標定。對于變送器電路的供電系統，采用了MCS-51-96專用穩壓電源，該電源可以給變送器提供24V直流電壓激勵。整個流量標定實驗所需器材如圖9所示。

3．2 實驗步驟

(1)將帶有雙平行梁檢測模塊的流量計安裝在標定平臺上，并把應變計引線接到變送器的輸入端口。

(2)檢查有無泄漏情況。按照測試要求選擇各個閥門的狀態，開啟電源，使上溢流箱蓄滿水。開啟流量控制閥，使下溢流箱蓄滿水。

圖9 變送器流量標定實驗Fig．9 Results of transmitter flow calibration test

(3)關閉流量控制閥，將變送器上的調量程電位器調至最大電阻位置，再調節調零電位器，使電壓表的顯示為1V。

(4)將流量控制閥開啟到最大位置，調節量程電位器，使得電壓表的顯示為5V;再關閉流量控制閥，調節調零電位器使得電壓表顯示為1V。

(5)對(4)進行反復操作，最終使得無流量時電壓表顯示1V，流量最大時，電壓表顯示5V。

(6)調節控制閥的開口大小，記錄電壓表的顯示，并記錄浮子流量計顯示的流量值。

(7)記錄完數據之后關閉電源，將各個水箱中的水回流到水槽，結束實驗。

3．3 測試結果及分析

在同一流量下的變送器輸出求算術平均值，將算術平均值作為該流量下變送器輸出的真值，從而將算術平均值與流量一一對應，如圖10(a)所示。用excel做出擬合曲線，從圖中可以看出擬合曲線可以很好地反映了流量計的輸入輸出關系?？梢岳脭M合曲線的方程作為推算流量的依據?，F在需要計算該方程算出值與真值之間的誤差，這里還將真值取為算術平均值。真值與擬合曲線間的絕對誤差如圖10(b)所示。

從圖10可以看出，擬合曲線與真值點之間的最大絕對誤差為0．06V，因此可以計算得到最大引用誤差為1．5%，能達到工業等級1．5級，與靜態性能測試結果相符［3］。

圖10 變送器流量標定實驗Fig．10 Transmitter flow calibration test

［1］李科杰．新編傳感器技術手冊［M］．北京:國防工業出版社，2002:397-410．

［2］威爾遜 J S．傳感器技術手冊［M］．北京:人民郵電出版社，2009:335-393．

［3］張祥兵．新型中部通孔動節流流量計及其實驗研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2012．

［4］程曉曉．基于應變片的動平衡機測試系統的研究設計［D］．重慶:重慶大學，2011．

［5］吉林工業大學農機系，第一機械工業部農業機械科學研究院．應變電測技術［M］．北京:機械工業出版社，1978:2-9，28-33．

［6］ Burr-Brown，Inc．High precision operational amplifiers-OPA2277 datasheet［EB/OL］．http://www．datasheetcatalog．com/datasheets_pdf/O/P/A/2/OPA277．shtml

［7］ Texas Instruments，Inc．4-20mA Current Transmitter with Bridge Excitation And Linearization-XTR106 datasheet［EB/OLR］．http://www．datasheetcatalog．com/datasheets_pdf/X/T/R/1/XTR106．shtml

［8］連 迅．新型中部通孔動節流流量計及其實驗研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業大學，2011．